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三峡库区滑坡工程加固和生态护坡措施研究进展

2024-03-09李欣然张桂荣林程谭瑞琪

人民长江 2024年1期
关键词:三峡库区抗滑桩护坡

李欣然 张桂荣 林程 谭瑞琪

摘要:三峡库区干、支流跨度极广,受地层岩性、岸坡结构、库水波动及强降雨的影响,库区频发以滑坡为主的地质灾害。结合三峡库区滑坡的分布规律,分析了降雨和库水波动两种主要外因作用下不同工程地质类型滑坡的变形响应特征及失稳机理,总结介绍了三峡库区滑坡灾害治理所采用的抗滑桩支护、挡土墙支护、锚杆(索)加固3种主要工程措施的支护原理和设计计算方法,以及生态护坡技术的加固机理及其在三峡库区的研究试验和推广使用。研究认为:目前三峡库区滑坡治理主要以工程措施为主,一般较少考虑滑坡防治的生态效应,今后的研究可针对三峡库区降雨型滑坡特点,更深入地探索库水波动、强降雨等外因作用下生态-结构复合护坡体系的联合加固机理及设计评价方法。

摘要:滑坡治理; 生态护坡; 工程措施; 三峡库区

中图法分类号: TV861

文献标志码: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.018

0 引 言

三峡库区地质灾害频发,据統计库区内的大小滑坡共有4 000余处[1]。滑坡灾害严重影响了水库正常运行和库区可持续发展,更危及人民群众生命财产安全。库区滑坡的防治非常复杂,涉及工程、社会、经济、生态环境等多方面因素,为达到防灾减灾的目的,需应用工程措施、生态措施、生态-工程联合防护措施等对滑坡灾害进行综合防治。周家文等[2]通过归纳总结水库滑坡的

综合治理技术,认为水库滑坡治理需要生态措施和工程措施的综合运用。童广勤等[3-4]分析了三峡库区内1 000余处灾害防治工程,认为该区域内的灾害治理需要综合考虑灾害类型、规模、岩土类别选取措施,并提出了避让性、顺应性、生态性及非结构措施优先的三峡库区滑坡防治原则。目前,三峡库区内已经进行了滑坡多元综合整治的实践,如在巫山新城烟厂滑坡治理中将滑坡治理与土地资源再生和城市环境提升相结合[5]。考虑三峡库区复杂工程性质和长江重点生态区建设要求,深入研究生态防护措施理论与技术是当下三峡库区滑坡治理中亟待解决的关键科学问题之一。本文结合三峡库区内滑坡的分布规律和主要诱因,通过梳理总结库区内滑坡治理的主要措施,提出了今后三峡库区内生态防护措施研究的关注重点和突破方向,对库区滑坡防治的科学研究和技术创新具有一定的参考指导意义。

1 三峡库区滑坡分布规律与主要外因

1.1 三峡库区滑坡分布规律

不同学者从多个角度对三峡库区内滑坡的主要分布规律进行了大量的研究。汪华斌等[6]重点分析了三峡库区滑坡的高程和规模,指出库区内滑坡自西向东出现高程增加、规模变大的趋势。李松林等[7]通过统计三峡库区滑坡的分布密度,认为其分布存在明显的区域差异,以万州为界,西段滑坡分布稀疏,且滑坡体积较小;东段则密集,分布较大体积滑坡,尤其聚集分布于奉节、巫山、涪陵、秭归一带。三峡库区的滑坡以大中规模为多,包括土质滑坡、堆积层滑坡、岩质滑坡等多种不同工程地质类型,其中土质滑坡主要为中型规模,而岩质滑坡则主要属于中、大型规模[8]。

1.2 三峡库区滑坡产生的主要外因

三峡库区滑坡的产生是自身地质条件与外因共同作用的结果,其中降雨及库水波动是造成三峡库区滑坡的主要外因。

1.2.1 降雨作用

三峡库区属亚热带季风气候区,气候温和湿润,空气湿度大,降雨充沛,平均气温高。年降雨量70%左右,分布在5~9月,且多大雨和暴雨;河谷区年平均降雨992.5~1 241.8 mm,两岸山地1 600~2 000 mm,盆地996.7~1 204.3 mm,并存在万县-云阳、秭归-宜昌两大暴雨中心地带[9]。降雨下渗会引起土体膨胀、岩石崩解[10];使岩土体饱和度提高、基质吸力消散、孔隙水压力上升;并于滑坡体裂隙中储水,产生水平静水推力和浮托力,以上多种内因共同作用形成滑坡灾害[11]。

三峡库区滑坡包括多种工程地质类型,由于赋存的地质环境条件不同,其性质、结构以及应力状态存在很大的差异,且对降雨反应的敏感性极不相同,因此,在降雨作用下呈现不同的变形特征。图1为各种工程地质类型滑坡的变形破坏模式。

(1) 土质滑坡破坏模式。

库区内土质滑坡多发于中浅层,如龚家村滑坡[12](见图2)。在降雨作用下坡脚首先发生滑塌,继而在滑坡体中部出现明显张拉裂缝,在某些体积较大的靠椅状滑坡中还会出现裂隙张开闭合的现象,滑坡体后缘开裂、张拉裂隙进一步扩张产生贯通面,最终滑坡体脱离后缘沿贯通裂缝快速向前滑移形成滑坡,并于后缘处形成阶地[13-15]。

(2) 堆积层滑坡破坏模式。

降雨主导诱发的库区内堆积体滑层普遍规模较大,以推移式和混合式变形破坏为主,如八字门滑坡[16-18](见图3)。滑坡位移略滞后于降雨,变形破坏活动最早表现为土体蠕动或浅层、次级的局部滑坡变形,进而诱发多级滑动形成大规模滑坡灾害。滑坡中后部变形较大,在临滑阶段出现斜列式弧形裂缝,最终于后缘形成弧形拉力圈,并出现数米至十数米的后缘下座变形,主滑动面多沿基覆界面发育,在红层地区呈现“近水平顺层滑移”特征[19-20]。

(3) 岩质滑坡破坏模式。

不同构造的岩质滑坡在降雨条件的响应特征也存在差异。顺层岩质滑坡在降雨作用下首先发生渐进式、逐层松脱-滑移破坏,再沿岩石层面、节理组合面等软弱层面发生滑移-崩塌[20-22]。图4为三峡库区巫峡段一处已出现局部破坏的顺层岩质边坡,反倾岩质滑坡在降雨作用下岩体发生剥蚀崩解,坡度变陡甚至出现倾倒,最先在坡脚形成较小贯通面,随着岩体碎裂加剧贯通面逐渐延伸,滑坡体由下而上解体崩塌[23]。

不同地质结构类型滑坡对降雨的响应特征的差异,来源于其在降雨作用下不同的失稳机理。降雨入渗后岩土体饱和度增大、孔压上升、基质吸力骤降[24]以致滑坡体的自重增加、抗剪强度下降,是土质滑坡失稳破坏的主要原因。张拉裂隙储水产生的水平静水压力则对岩质滑坡和堆积层滑坡的稳定性影响较大。岩质滑坡透水性差,易受雨水汇集于阻滑段基岩产生的浮托力作用而发生变形失稳[25]。

1.2.2 库水波动作用

三峡水库自2003年蓄水至135 m、2006年蓄水至156 m、2008年蓄水至175 m后,每年水位在145~175 m之间运行,常有波动[26]。库水波动主要通过浮托力、动水压力、库水变动下岸坡渗流场的变化及边坡水-岩作用影响岸坡的稳定性[27-28]。王锦国等[29]通过有限元软件模拟了石猴子滑坡的3种不同库水位工况,发现蓄水后滑体内会产生较大的动水压力,特别是库水位骤降时的动水压力是正常蓄水位下的13倍。冯文凯等[30]分析木鱼包滑坡的监测数据,认为其变形主要受浮托力和动水压力的影响,库水升降速率较小时,浮托力控制滑坡的变形;库水升降速率提升后,动水压力成为控制因素。刘晓丽等[31]提出基于DDA-DFN的渗流-应力耦合模型,认为水库蓄水后,地下水大幅抬升,渗流-应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡失稳。

1.2.3 降雨与库水联合作用

在降雨与库水位联合作用下,浅层土质滑坡的失稳更易受降雨控制,即在降雨入滲下坡体自重增加,岩土参数强度降低而发生滑坡[32]。堆积体滑坡前部易受库水位涨落产生的浮托力和动水压力影响而发生局部变形,并对后部滑体产生牵引作用,中后部滑体易受降雨入渗和裂隙水的静水压力作用发生局部变形,并对前缘坡体产生推动作用引发滑坡失稳[33-35]。库水位变动使得岩质滑坡受长期浸泡和浸泡-风干循环作用,岩体的损伤被累积放大,岩土体力学性质逐步劣化[36],同时水位上升和降雨入渗都会对基岩以上的岩体产生浮托力进而导致库岸边坡的宏观破坏。

2 三峡库区滑坡治理措施研究进展

滑坡灾害防治主要围绕改善滑坡几何形态、减轻水力作用危害、设置抗滑支挡结构和提高滑动带岩土体力学性质来展开,并根据滑坡规模、滑动面深度及滑坡体工程地质类型采用不同的防护方式。三峡库区滑坡防治常用工程措施包括抗滑桩、抗滑挡墙、锚杆(索)等,生态防护技术主要包括纯植被护坡、植被与土工合成材料结合(石笼网垫、土工格室、三维土工网垫、生态袋等)、植被与工程措施结合等方式[37-38]。

2.1 抗滑桩支护

抗滑桩法是在坡面一定位置设置一系列桩,使桩身穿过滑坡体伸入稳定滑床,利用桩锚固段及其周围岩土体共同平衡滑坡下滑推力的被动支挡结构,如图5所示。抗滑桩在三峡库区众多大型滑坡段均有使用,如石包嘴滑坡、朱家镇滑坡及寨坝滑坡等。数值模拟分析与现场监测结果均表明,库区采用的抗滑桩支护措施显著地抑制了滑体变形,增强了滑坡稳定性[39-43]。

采用传统计算方法进行抗滑桩设计时,将滑坡推力视作外荷载作用于桩身,求解桩身的内力、位移及桩周应力,最后校核并调整初拟的抗滑桩埋深、截面尺寸、间距进行配筋。

最为常用的抗滑桩内力计算方法有悬臂柱法和地基系数法两种。其中悬臂柱法将抗滑桩以滑动面为界分为两部分,上部视作悬臂梁计算内力,下部锚固段使用文克尔弹性地基梁法计算内力。地基系数法将整根桩视作弹性地基梁,通过建立挠度曲线方程求解地基反力系数,使用截面法计算桩身任意截面处的内力,包括“K”法、“m”法、“c”法等单参数法,综合刚度双参数法和P-y曲线法等,以上几种抗滑桩内力计算方法的优缺点对比见表1。

三峡库区中抗滑桩的设计选用中,还需考虑该区域工程地质条件的特殊性。Zhou等通过监测马家沟滑坡的测试桩和开展物理模型试验,对比研究了刚性桩和柔性桩的内力和变形情况,认为在必须严格限制桩周土体变形的情况下,应优先选择刚性桩,而在允许变形较大时,柔性桩更适用于滑坡的长期稳定性控制[42-43]。Li等[44]提出了计算不同岩层组合下桩身变形和内力的新方法,以进行软硬互层基岩情况下最优桩位的选取,并在盐官滑坡中验证了该方法的有效性。大量滑坡治理工程表明,三峡库区中许多抗滑桩布置处滑面处于倾斜状态,与设计中假设抗滑桩周围滑动面水平存在差异,所以需要考虑桩前土体抗剪承载力,控制滑床弹塑性区高度,以防桩身倾覆[45-48]。三峡库区的水位波动也是进行抗滑桩加固、设计计算方法研究的重要考虑因素。唐晓松等[49]认为抗滑桩渗透性虽远小于岸坡土体,但在库水变动时仍需考虑抗滑桩的渗透性对其支护效果的影响,通过有限元模拟分析发现抗滑桩能够阻止岸坡内浸润面位置的降低和超孔隙水压力的消散,目前不考虑桩身渗透性的计算方法偏保守。李邵军等[50]利用离心试验手段模拟三峡库区水位循环变化,研究了库水位变化影响下,考虑土拱作用的不同桩间距抗滑桩受力特征,为库区内抗滑桩加固机制分析提供了直接的试验依据。Luo等[51]通过物理模型试验对排水抗滑桩的排水性能进行了研究验证,并使用有限元软件模拟了3种不同工况下该排水抗滑桩对滑坡的加固效应。罗爽等[52]选取广义Kelvin蠕变模型,计算了三峡库区桥头北滑坡悬臂抗滑桩受荷段在考虑滑坡体蠕变作用时的内力,认为蠕变造成了抗滑支挡结构服役性能的劣化,建议悬臂抗滑桩工程竣工后的一段时间内需要密切关注桩顶位移变化量。

2.2 挡土墙支护

挡土墙是使用砌块、石料、混凝土以及钢筋混凝土结构砌筑的挡土结构,通常于坡脚或滑动面剪出口处设置,通过墙体自重和填料的重量抵抗侧向土压力。常用于浅层滑坡如楠木桠、红石包滑坡等[53-56],如图6所示。

挡土墙通常依靠自身重力偏心产生抗倾覆力矩和自重产生的摩阻力抵抗墙背的荷载,其中墙背上的土压力是荷载的主要组成部分。滑坡治理工程中,挡土墙上的土压力按照主动土压力计算,以经典的库伦或朗肯土压力计算方法为依据,并根据实际工况进行修正和完善。三峡库区内堆积层滑坡具有双层甚至多层滑移特征。王凯[57]以库区内巴东黄土坡滑坡为例,通过有限元模拟和现场试验对钢筋混凝土-预应力锚杆复合挡墙中锚杆预应力大小、间距、锚固长度的优化设计进行了研究。刘滨源[58]考虑到三峡库区内地下水对预应力钢筋的锈蚀,将挡土墙、桩顶梁和抗滑桩组合成新型复合支挡结构,以井泉滑坡为背景进行了桩-墙复合抗滑支挡结构设计计算方法的研究。李长安[59]基于滑坡系统地貌过程,认为三峡库区内的挡土墙应采用垛形顶部并布置排水孔以保证滑坡体物质和水体及时外泄。

2.3 锚杆(索)支护

滑坡内部加固多使用锚杆、锚索,将钢筋、钢管或钢绞线一端固定在坡面上,另一端穿过滑坡体预先钻好的孔固定在下部岩层中,将滑坡体与稳定岩体结合在一起(见图7)。该支护方式施工作业空间较小,适用各种地形及场地条件,并可以采用专门的拉紧装置和机具施加预应力。三峡库区中锚杆(索)结构多用于高陡边坡和危岩支护工程。

锚杆(索)对岩质边坡的加固作用体现在两方面:对于软弱结构面为不规则破碎岩体且没有明确滑动面的边坡,增强其整体性;对于成层理或片理结构,易发生顺层滑坡的边坡,增强其层理或片理之间的抗剪强度。锚杆(索)拉力的有效发挥,取决于深入稳定岩土体的锚固段与岩土体的紧密结合。因此锚杆(索)锚固界面的荷载传递机理是国内外岩土锚固理论研究的主要课题之一。几种锚固界面荷载传递机理模型的优缺点对比如表2所列。

李长安[59]进行了大量试验,研制了适用于三峡船闸高边坡的高强度锚索结构。朱杰兵等[60]通过现场监测和数值模拟试验,研究了锚索张拉前后岩体的压缩变形,证明锚索周边的岩体在施加锚索预应力及灌浆后,弹性模量等力学特性得到了明显改善。Wang等[61]对危岩体的变形和破坏模式进行分析后,提出了上部危岩与下层基岩同时锚定的加固方式,并通过室内试验证实了采用该方法后危岩体的长期稳定性。锚杆锚索可与抗滑桩(见图8)、混凝土格构等联合使用,形成联合锚固结构;锚杆锚索也可与喷射混凝土和金属网并用,防护浅层滑坡和破碎岩体边坡,如白岩沟西滑坡区后缘断壁和巫山新城的小规模边坡等[62-64]。三峡库区链子崖危岩体治理中,对于预应力锚杆采用单纯形法进行了多组锚固力优化设计,并结合了喷网、短锚、裂缝回填等辅助工程进行治理,监测结果表明此锚固工程经历了50多天的高水位和暴雨环境,仍保持良好稳定性[65]。陈洪凯等[66]将库区内危岩体分为3类,采用3种荷载组合,建立了每类危岩的锚固计算方法,确定了相对应的最小锚杆数计算式,该计算方法已经成功应用于三峡库区数百个危岩体治理工程。

2.4 生态护坡技术

生态护坡技术常用于浅层滑坡,指在坡面种植植被或采用植被与工程支护措施、土工合成材料结合的防护方式,以增强边坡稳定性,防治坡面水土流失,维护和恢复周边生态环境,并形成良好景观形象。

常见的生态护坡有植被-三维土工网联合护坡和植被-混凝土格构联合护坡等形式[67],图9~10为两种联合护坡措施的示意图。植被对边坡的防护作用主要体现在深根锚固、浅根加筋和减少击溅冲刷3个方面[68],三维土工网对坡面土体起锚固、包裹作用,能增加坡面土体的法向应力和抗滑力,对岸坡的变形起约束作用。在植物生长初期,三维土工网能防止雨水冲刷,保护岸坡和植被,待植被进一步生长并穿过土工网,则将土工网紧密锚固于坡面,两者形成联合保护层,进行整体加筋。现浇混凝土格构通过横梁纵梁交叉处锚杆与深部岩土体的连接,对网格周围的土体施加压力,并限制位移,在坡面形成三维立体护坡结构,结合草本和灌木立体种植模式的植被根系固土作用,能有效提高土体抗剪强度,使坡面更加稳固。

张忠阳等[69]以湖北省兴山县峽口港航道码头护坡工程为试验点,选用香根草结合土工格栅防护坡面,通过数值模拟和实地监测证明该措施能有效约束库水位变动时边坡的水平位移,提高边坡稳定系数。秭归县将土地利用与生态防护相结合,在新滩滑坡体上进行生态防护设计和农业种植规划,设置长江防护林带和水源涵养林进行坡改梯工程种植作物[70]。赵欣等[71]以千将坪为例,综合石笼网,钢筋混凝土格构和植被混凝土等措施,提出了集滑坡治理、土地利用和生态保护于一体的滑坡综合治理概念。

3 展 望

三峡库区滑坡灾害的治理关系到库区的持续稳定运行和周边群众的生命财产安全。本文在梳理三峡库区滑坡灾害的分布规律和外部影响因素的基础上,重点归纳了库区所采用的抗滑桩、挡土墙、锚杆(索)和生态护坡技术这4种岸坡治理措施,并对这些措施的加固机理及相关研究进行了整理总结。三峡库区滑坡灾害通过采取诸多治理措施,取得了良好的治理效果,尤其考虑周边环境保护和生态效益采用了生态护坡措施,且逐步探究了生态护坡措施的机理,从分析植被根系固土护坡机理发展到研究植被结合土工材料的护坡机理,并进一步论证了植被结合钢筋混凝土格构的生态-结构联合护坡措施。

抗滑桩、挡土墙、锚杆(索)等工程支护措施在三峡库区的众多滑坡治理中,已经获得了丰富的实践经验和较深入的理论研究。但是对采用植被、护坡工程材料与滑坡传统防治结构相结合的生态-结构联合防护结构体系,由于生态护坡的渗控和浅层加固机理,尤其是柔性生态护坡与刚性工程结构的相互作用尚不明确,目前缺乏其联合加固滑坡的力学机制和计算理论,尚未形成一套合理完善的计算设计方法。因此,今后的研究可以针对三峡库区降雨型滑坡特点,重点研究生态-结构联合护坡体系的抗滑特性、协调变形机制与调控降雨入渗能力。更深入地探索库水波动、强降雨等外因作用下,植被与土工材料或工程措施联合护坡的防治机理,提出适合于不同类型滑坡的生态-结构防护体系及其模块化设计框架,促进生态护坡措施在三峡库区滑坡灾害治理中的科学应用。

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(编辑:刘 媛)

Research progress on landslide engineering reinforcement and ecological slope protection measures in Three Gorges Reservoir area

LI Xinran1,ZHANG Guirong1,LIN Cheng2,TAN Ruiqi1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210004,China; 2.Institution of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Abstract:

The Three Gorges Reservoir area has a wide span of mainstream and tributary rivers.Influenced by stratigraphic lithology,bank slope structure,reservoir water fluctuations,and heavy rainfall,geological disasters dominated by landslides frequently occur in the reservoir area.Combined with the distribution law of landslides in the Three Gorges Reservoir area,this study analyzed the deformation response characteristics and instability mechanisms of landslides with different engineering geological types under the action of two main external factors,rainfall and reservoir water fluctuation.We summarized the supporting principles and design calculation methods of three main engineering reinforcement measures(anti-sliding pile support,retaining wall support,and anchor cable reinforcement)used in landslide disaster management in the Three Gorges Reservoir area.We also introduced the reinforcement mechanism of ecological slope protection technology and its research,experimentation,and widespread application in the Three Gorges reservoir area.The study suggestted that current landslide management in the Three Gorges Reservoir area primarily relies on engineering measures,with generally less consideration for the ecological effects of landslide prevention.Therefore,future research could focus more on the characteristics of rainfall-induced landslides in the Three Gorges reservoir area,and explored deeper the joint reinforcement mechanism and design evaluation methods of the ecological-structural composite slope protection system under the influence of external factors such as reservoir water fluctuations and heavy rainfall.

Key words:

landslide harnessing;ecological slope protection;engineering reinforcement measures;Three Gorges Reservoir area

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